5.3. Формование металлических порошков

Целью формования порошка является придание заготовкам из порошка формы, размеров, плотности и механической прочности, необходимых для последующего изготовления изделий. Формование включает следующие операции: отжиг, классификацию, приготовление смеси, дозирование и формование.

Отжиг порошков применяют с целью повышения их пластичности и прессуемости за счет восстановления остаточных окислов и снятия наклепа. Нагрев осуществляют в защитной среде (восстановительной, инертной или в вакууме) при температуре равной 0,4-0,6 абсолютной температуры плавления металла порошка. Наиболее часто отжигают порошки, полученные механическим измельчением, электролизом и разложением карбонилов.

Классификация порошков – процесс разделения порошков по размеру частиц. Порошки с различным размером частиц используют для составления смеси, содержащей требуемую долю (в процентах) каждого размера. Классификацию частиц размером более 40 мкм производят на проволочных ситах. Если свободный просев затруднен, то применяют протирочные сита. Более мелкие порошки классифицируют на воздушных сепараторах.

Приготовление смеси. Для изготовления изделий используют смеси порошков разных металлов. Смешивание порошков – одна из важнейших операций. Ее задачей является обеспечение однородности смеси, от которой зависят конечные свойства изделий. Наиболее часто применяют механическое смешивание компонентов в шаровых мельницах и смесителях. Соотношение шихты и шаров по массе составляет 1:1. Смешивание сопровождается измельчением компонентов. Смешивание без измельчения проводят в барабанных, шнековых, лопастных, центробежных, планетарных, конусных смесителях и установках непрерывного действия. Равномерное и быстрое распределение частиц порошков в объеме смеси достигается при близкой плотности смешиваемых компонентов. При большой разнице плотностей наступает расслоение компонентов. В этом случае полезно применять раздельную загрузку компонентов по частям: сначала загружают более легкие с каким-либо более тяжелым, а затем остальные компоненты. Смешивание всегда лучше происходит в жидкой среде, что не всегда экономически целесообразно из-за усложнения технологического процесса.

При приготовлении шихты некоторых металлических порошков высокой прочности (вольфрама, карбидов металлов) для повышения формуемости в смесь добавляют пластификаторы – вещества, смачивающие поверхность частиц.

Пластификаторы должны удовлетворять следующим требованиям: обладать высокой смачивающей возможностью, выгорать при нагреве без остатка, легко растворяться в органических растворителях. Раствор пластификатора обычно заливают в перемешиваемый порошок, затем смесь сушат для удаления растворителя. Высушенную смесь просеивают через сито.

Дозирование – это процесс отделения определенных объемов смеси порошка.

Различают объемное дозирование и дозирование по массе. Объемное дозирование используют при автоматизированном формовании изделий. Дозирование по массе наиболее точный способ, этот способ обеспечивает одинаковую плотность формования заготовок.

Формование – процесс формообразования заключающийся в прессовании порошка с применением формообразующей оснастки.

Применяют следующие способы: прессование в стальной прессформе, изостатическое прессование, прокатка порошков, мундштучное прессование, шликерное формование, динамическое прессование.

Прессование в стальной прессформе. При прессовании, происходящем в закрытом объеме прессформы, возникает сцепление частиц металлического порошка и в результате получается заготовка требуемой формы и размеров. При этом происходит смещение и деформация отдельных частиц, заполнение пустот между ними порошка, а иногда и их заклинивание, т.е. механическое сцепления частиц. У пластичных материалов деформация возникает вначале у приграничных контактных участков частиц порошка малой площади под действием огромных напряжений, а затем распространяется вглубь частиц. При перемещении частиц порошка в прессформе возникает давление порошка на стенки. Это давление меньше давления со стороны сжимающего порошок пуансона из-за трения между частицами и боковой стенкой прессформы и между отдельными частицами. Давление на боковые стенки зависит от трения между частицами, частицами и стенкой прессформы и равно 25-40 % вертикального давления пуансона. Из-за трения на боковых стенках по высоте изделия вертикальное давление получается неодинаковым: у пуансона наибольшее, а у нижней части – наименьшее. По этой причине невозможно получить по высоте отпрессованной заготовки равномерную плотность.

Для получения более качественных изделий применяют смазки (стеариновую кислоту и ее сопи, олеиновую кислоту, поливиниловый спирт, парафин, глицерин и др.), уменьшающие внутреннее трение и трение на стенках инструмента. Смазку обычно добавляют в порошок, что обеспечивает наилучшие производственные показатели.

При выталкивании изделия из прессформы из-за упругого увеличения ее поперечных размеров, размеры изделия несколько превышают размеры поперечного сечения матрицы. Изменение размеров зависит от размера зерен и материала порошка, формы и состояния поверхности частиц, содержания окислов, механических свойств материала, давления прессования, смазки, материала матрицы и пуансона и других параметров.

В направлении действия прессующего усилия изменение размеров больше, чем в поперечном направлении.

Одностороннее прессование применяют для изделий с соотношением высоты Н к наименьшему размеру поперечного сечения d, равным 2...3. Если это соотношение больше 3, но меньше 5, то применяют схему двухстороннего прессования; при большем соотношении размеров применяют другой метод.

Изостатическое прессование – прессование в эластичной оболочке под действием всестороннего сжатия.

Если сжимающее усилие создается жидкостью, прессование называют гидростатическим. При гидростатическом прессовании порошок засыпают в резиновую оболочку и затем помещают ее после вакуумирования и герметизации в сосуд, в котором поднимают давление до требуемой величины. Из-за практического отсутствия трения между стенками оболочки и порошком спрессованное изделие получают с равномерной плотностью по всем сечениям, а давление прессования в этом случае меньше, чем при прессовании в стальных прессформах. Перед прессованием порошок подвергают виброуплотнению. Гидростатическим прессованием получают цилиндры, трубы, шары, тигли и другие изделия сложной формы. Этот способ выполняют в специальных установках для гидростатического прессования.

Недостатком гидростатического прессования является невозможность получения прессованных деталей с заданными размерами и необходимость механической обработки при изготовлении изделий точной формы и размеров, а также малая производительность процесса.

Прокатка порошков заключается в захвате порошка и подаче его в зазор между вращающимися валками. В межвалковом зазоре порошок сжимается и равномерно прессуется. Получаются изделия большой длины с прочностью, достаточной для транспортировки на следующую операцию – спекание. Прокатку проводят в вертикальной и горизонтальной плоскостях, периодически и непрерывно.

Плотность заготовки зависит от химического и гранулометрического состава порошка, формы частиц, конструкции бункера, давления порошка на валки, состояния поверхности валков, скорости их вращения и других факторов.

Мундштучное прессование – это формование заготовок из смеси порошка с пластификатором путем продавливания ее через отверстие в матрице.

В качестве пластификатора применяют парафин, крахмал, поливиниловый спирт, бакелит. Этим методом получают трубы, прутки, уголки и другие изделия большой длины.

Допустимое обжатие k должно быть более 90 %:

k = (F – f)/f·100,

где F и f – площади поперечного сечения матрицы и изделия.

В некоторых случаях мундштучное прессование выполняют при подогреве материала изделия, при этом обычно не используют пластификатор. Порошки алюминия и его сплавов прессуют при 400-600 ^оC, меди – 800-900 ^оС, никеля – 1000-1200 ^оС, стали – 1050-1250 ^оС. Для предотвращения окисления при горячей обработке применяют защитные среды (инертные газы, вакуум) или проводят прессование в защитных оболочках (стеклянных, графитовых, металлических - медных, латунных, медно-железной фольге). После прессования оболочки удаляют механическим путем или травлением в растворах, инертных к прессованному металлу.

Шликерное формование – представляет собой процесс заливки шликера в пористую форму и направленном осаждении твердых частиц порошка на стенках формы под действием направленных к ним потоков взвеси (порошка в жидкости) с последующей сушкой.

Потоки шликера возникают в результате впитывая жидкости в поры формы под действием вакуума или центробежных сил, создающих давление в несколько мегапаскалей. Время наращивания оболочки определяется ее толщиной и составляет 1-60 мин. После удаления изделия из формы его сушат при 110-150 ^оС на воздухе или в сушильных шкафах.

Шликер – это однородная концентрированная взвесь порошка металла в жидкости. Шликер приготовляют из порошков с размером частиц от 1-2 мкм и более и жидкости – воды, спирта, четыреххлористого водорода. Взвесь порошка однородна и устойчива в течение длительного времени. Форму для шликерного литья изготовляют из гипса, нержавеющей стали, спеченного стеклянного порошка.

Плотность изделия несколько меньше плотности исходного порошка, при этом связь частиц обусловлена механическим зацеплением. Этим способом изготовляют трубы, сосуды.

Динамическое прессование – процесс прессования с использованием импульсных нагрузок (взрыв заряда взрывчатого вещества, энергия электрического разряда в жидкости, импульсное магнитное поле, сжатый газ, вибрация).

Отличительной чертой процесса является скорость приложения нагрузки. Процесс имеет ряд преимуществ: уменьшаются расходы на инструмент, уменьшается упругая деформация, увеличивается плотность изделий. В зависимости от источника энергии прессование называют взрывным, электрогидравлическим, электромагнитным, пневмомеханическим и вибрационным. Установлено значительное выделение тепла в контактных участках частичек, облегчающее процесс их деформирования и обеспечивающее большее уплотнение, чем при статическом (обычном) прессовании. Уплотнение порошка под воздействием вибрации происходит в первые 3-30 с. Наиболее эффективно использование вибрации при прессовании порошков непластичных и хрупких материалов. С применением виброуплотнения удается получить равноплотные изделия с отношением высоты к диаметру 4-5 и более.